近年(nian)來(lai)，對低成本(ben)(ben)儲(chu)能技術(shu)日益增長(chang)的(de)(de)(de)需求促使(shi)(shi)越來(lai)越多的(de)(de)(de)科研(yan)(yan)人員和(he)工(gong)程(cheng)師加(jia)入到(dao)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)基礎研(yan)(yan)究和(he)工(gong)程(cheng)化探(tan)索的(de)(de)(de)事業(ye)中來(lai)，鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)以(yi)可(ke)觀的(de)(de)(de)速(su)度(du)在(zai)近10年(nian)內快速(su)成長(chang)。本(ben)(ben)文首(shou)先(xian)分析了(le)(le)全(quan)球鋰資源(yuan)形(xing)勢(shi)，尤其(qi)是我國鋰資源(yuan)存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)潛在(zai)風險(xian)；隨后回顧了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)前(qian)世今生，并著重介紹了(le)(le)近些年(nian)全(quan)球鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)產業(ye)化現(xian)狀。根(gen)據本(ben)(ben)領(ling)域(yu)最(zui)新的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究進展，提煉出了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)在(zai)成本(ben)(ben)、性能等方面的(de)(de)(de)7大優(you)勢(shi)，這些優(you)勢(shi)使(shi)(shi)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)具有巨大的(de)(de)(de)發展潛力。最(zui)后重點介紹了(le)(le)本(ben)(ben)研(yan)(yan)究團(tuan)隊(dui)在(zai)銅(tong)基層狀氧化物正極(ji)和(he)無定形(xing)碳負極(ji)等低成本(ben)(ben)電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料研(yan)(yan)發及(ji)其(qi)工(gong)程(cheng)化放大，以(yi)及(ji)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)研(yan)(yan)制(zhi)和(he)示(shi)范應(ying)(ying)用(yong)(yong)方面的(de)(de)(de)工(gong)作。鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)成功示(shi)范證(zheng)明了(le)(le)其(qi)實(shi)際應(ying)(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)可(ke)行性。通(tong)過對電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料、電(dian)(dian)解液、制(zhi)造和(he)成組工(gong)藝(yi)以(yi)及(ji)電(dian)(dian)池(chi)管理等方面進行優(you)化，有望進一步提升鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)綜合(he)性能，盡快實(shi)現(xian)在(zai)低速(su)電(dian)(dian)動(dong)車(che)、數據中心后備電(dian)(dian)源(yuan)、通(tong)訊基站、家庭/工(gong)業(ye)儲(chu)能、大規模(mo)儲(chu)能等領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)。

鋰(li)(li)(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)池已(yi)經(jing)廣泛應(ying)用(yong)于生(sheng)(sheng)活和(he)(he)(he)生(sheng)(sheng)產(chan)中，從(cong)消費電(dian)子(zi)(zi)產(chan)品(pin)(pin)到電(dian)動汽車等移(yi)動儲能設(she)備，再到應(ying)急電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)或儲能電(dian)站等半移(yi)動或固定儲能裝置，大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)改變了(le)人類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)活和(he)(he)(he)工(gong)作(zuo)方式。2019年(nian)10月，瑞典皇家(jia)科學(xue)(xue)院公(gong)布了(le)2019年(nian)諾貝(bei)爾化學(xue)(xue)獎(jiang)，授予了(le)美國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)德州(zhou)大(da)(da)(da)學(xue)(xue)奧斯汀分(fen)(fen)校(xiao)(xiao)Goodenough教授、紐約(yue)州(zhou)立大(da)(da)(da)學(xue)(xue)賓漢姆(mu)頓分(fen)(fen)校(xiao)(xiao)Whittingham教授和(he)(he)(he)日(ri)本(ben)化學(xue)(xue)家(jia)Yoshino博士，以表彰他(ta)們在鋰(li)(li)(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)池發(fa)展方面做出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)杰出(chu)貢獻。但(dan)是(shi)(shi)隨(sui)著對鋰(li)(li)(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)池需(xu)(xu)求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)快速增長，鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)供(gong)應(ying)情況卻變得越來越緊張(zhang)，已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)(wei)全(quan)(quan)(quan)世界關注和(he)(he)(he)爭(zheng)奪的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焦點：歐盟(meng)將鋰(li)(li)(li)(li)列為(wei)(wei)14種(zhong)關鍵(jian)原材(cai)料之一(yi)(yi)(yi)；美國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)將鋰(li)(li)(li)(li)作(zuo)為(wei)(wei)43種(zhong)重要礦產(chan)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)之一(yi)(yi)(yi)；中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)將鋰(li)(li)(li)(li)定位(wei)為(wei)(wei)24種(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家(jia)戰(zhan)略性(xing)礦產(chan)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)之一(yi)(yi)(yi)。據美國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)地質調查局(ju)2018年(nian)最新報告顯示，全(quan)(quan)(quan)球(qiu)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)儲量(liang)(liang)(liang)約(yue)5300萬t，其(qi)中阿根廷(ting)占18.5%、玻利維亞17.0%、智(zhi)利15.8%、中國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)13.2%、美國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)12.8%、澳大(da)(da)(da)利亞9.4%。作(zuo)為(wei)(wei)全(quan)(quan)(quan)球(qiu)第四大(da)(da)(da)鋰(li)(li)(li)(li)儲量(liang)(liang)(liang)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)，我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)理應(ying)不受(shou)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)短缺的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)困(kun)擾，但(dan)現實卻是(shi)(shi)：我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)80%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)供(gong)應(ying)依(yi)賴(lai)進口(kou)，是(shi)(shi)全(quan)(quan)(quan)球(qiu)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)第一(yi)(yi)(yi)進口(kou)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)。我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)主(zhu)要分(fen)(fen)為(wei)(wei)鹵水型(xing)和(he)(he)(he)礦石(shi)型(xing)，其(qi)中鹵水型(xing)占比(bi)85%，而礦石(shi)型(xing)占比(bi)15%。整(zheng)體(ti)上我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)鹽(yan)湖鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)品(pin)(pin)質和(he)(he)(he)外部(bu)開(kai)發(fa)條(tiao)件(jian)(jian)較差，導致(zhi)開(kai)發(fa)難度大(da)(da)(da)、成(cheng)本(ben)高，供(gong)應(ying)能力較弱。我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)最豐富的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)青海(hai)(hai)柴(chai)達木盆地，品(pin)(pin)位(wei)偏低(di)，鎂鋰(li)(li)(li)(li)比(bi)值高，分(fen)(fen)離(li)(li)(li)難度大(da)(da)(da)，開(kai)發(fa)平均成(cheng)本(ben)是(shi)(shi)南(nan)美優質鹽(yan)湖（鎂鋰(li)(li)(li)(li)比(bi)約(yue)為(wei)(wei)6.4）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩倍；西藏鹽(yan)湖的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)品(pin)(pin)質雖(sui)好，但(dan)地處(chu)高海(hai)(hai)拔山區(qu)，且基(ji)礎設(she)施、交通運輸和(he)(he)(he)企業管(guan)理等條(tiao)件(jian)(jian)均較差，開(kai)采所需(xu)(xu)人力、物力以及尾礦處(chu)理成(cheng)本(ben)很高。我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)礦石(shi)型(xing)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)主(zhu)要分(fen)(fen)布在四川西部(bu)地區(qu)，面臨著和(he)(he)(he)西藏鹽(yan)湖類(lei)似(si)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題，目(mu)前(qian)僅進行了(le)少量(liang)(liang)(liang)開(kai)采，大(da)(da)(da)規模(mo)開(kai)發(fa)基(ji)本(ben)處(chu)于停滯狀態(tai)。這些原因導致(zhi)我(wo)(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)鋰(li)(li)(li)(li)資(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)總量(liang)(liang)(liang)雖(sui)大(da)(da)(da)，但(dan)對其(qi)他(ta)國(guo)(guo)(guo)(guo)(guo)家(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)依(yi)賴(lai)還較為(wei)(wei)嚴(yan)(yan)重。如(ru)果持(chi)續擴大(da)(da)(da)鋰(li)(li)(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)規模(mo)，比(bi)如(ru)生(sheng)(sheng)產(chan)更(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)動汽車和(he)(he)(he)儲能電(dian)站，將使目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形勢變得更(geng)加嚴(yan)(yan)峻。

尋(xun)找鋰(li)離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)替代(dai)或(huo)備選儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)，勢(shi)在(zai)必行(xing)。在(zai)此(ci)背景下，與鋰(li)離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)具(ju)有相(xiang)似工作原(yuan)理(li)的(de)鈉離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)受到了越來越多的(de)研究(jiu)人員的(de)重視，由于地(di)殼中鈉資源儲(chu)量豐富，且在(zai)全(quan)球(qiu)范圍內分布廣(guang)泛，使鈉離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)具(ju)有大規模(mo)應用的(de)巨大潛力(li)。因此(ci)，鈉離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)可作為鋰(li)離(li)(li)子電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)在(zai)大規模(mo)儲(chu)能(neng)領域(yu)的(de)重要補充技(ji)術(shu)，具(ju)有重要的(de)經濟(ji)價值和戰略意(yi)義。

關(guan)于(yu)(yu)(yu)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)可(ke)以(yi)追溯到20世紀70年代，甚(shen)至早于(yu)(yu)(yu)鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)。雖(sui)然在(zai)1991年后鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)成功商業化(hua)吸引了大多(duo)數科(ke)學家的(de)(de)(de)注(zhu)意力(li)，但鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)發展卻從未停止，近10年來鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)相關(guan)研(yan)究(jiu)更是(shi)迎(ying)來了井噴式增長，另外(wai)關(guan)于(yu)(yu)(yu)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)工程(cheng)(cheng)化(hua)的(de)(de)(de)嘗試也常有(you)媒體報道。2011年，全(quan)(quan)球(qiu)首家專注(zhu)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)工程(cheng)(cheng)化(hua)的(de)(de)(de)英國(guo)FARADION公(gong)司(si)率(lv)先成立，之后在(zai)全(quan)(quan)世界范(fan)圍內鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)公(gong)司(si)雨后春(chun)筍般(ban)如約而至，截(jie)至目前，全(quan)(quan)球(qiu)從事(shi)鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)工程(cheng)(cheng)化(hua)的(de)(de)(de)公(gong)司(si)已(yi)有(you)20家以(yi)上，其(qi)中(zhong)不乏松(song)下(xia)、豐田等(deng)(deng)巨(ju)頭公(gong)司(si)。我國(guo)首家鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)公(gong)司(si)中(zhong)科(ke)海鈉(na)成立于(yu)(yu)(yu)2017年，雖(sui)然晚于(yu)(yu)(yu)其(qi)他國(guo)家，但是(shi)依(yi)托于(yu)(yu)(yu)中(zhong)國(guo)科(ke)學院物理研(yan)究(jiu)所（下(xia)文簡稱物理所）的(de)(de)(de)技術(shu)(shu)，目前在(zai)技術(shu)(shu)開發和產品生(sheng)產上都已(yi)初具(ju)規模(mo)。目前根據最(zui)新(xin)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)結果發現(xian)了鈉(na)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)諸多(duo)優(you)(you)勢，除(chu)了鈉(na)資源儲量豐富的(de)(de)(de)優(you)(you)勢之外(wai)，還具(ju)有(you)高(gao)低(di)溫性(xing)(xing)能優(you)(you)異、安全(quan)(quan)性(xing)(xing)高(gao)、可(ke)用低(di)鹽濃度電(dian)(dian)解液等(deng)(deng)優(you)(you)點（圖1），一(yi)些(xie)技術(shu)(shu)指標(biao)甚(shen)至優(you)(you)于(yu)(yu)(yu)鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)，展現(xian)出巨(ju)大的(de)(de)(de)開發潛力(li)。

鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)勢(shi)大致有(you)以(yi)(yi)下幾個(ge)方面：①鈉資(zi)源儲量豐富(fu)，分布(bu)均(jun)(jun)勻(yun)，成本低(di)(di)廉(lian)；②鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)與(yu)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作原理相似，與(yu)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產設(she)備(bei)大多(duo)可(ke)(ke)兼容；③由于鋁和鈉在(zai)(zai)(zai)(zai)低(di)(di)電(dian)(dian)位不會發生(sheng)(sheng)合(he)金(jin)化(hua)反應，鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)正(zheng)極(ji)(ji)和負極(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)集(ji)流體都(dou)可(ke)(ke)使用廉(lian)價的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋁箔；④在(zai)(zai)(zai)(zai)固態電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)，可(ke)(ke)設(she)計(ji)雙極(ji)(ji)性電(dian)(dian)極(ji)(ji)，在(zai)(zai)(zai)(zai)同一(yi)(yi)(yi)張鋁箔兩(liang)側分別涂(tu)布(bu)正(zheng)極(ji)(ji)和負極(ji)(ji)材料，將(jiang)這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)極(ji)(ji)片周期堆(dui)疊(die)，在(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)(yi)(yi)個(ge)單體電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)實現(xian)更(geng)(geng)高(gao)電(dian)(dian)壓，并可(ke)(ke)節約(yue)其(qi)他非活(huo)性材料以(yi)(yi)提高(gao)體積能量密度；⑤鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶劑(ji)化(hua)能比(bi)(bi)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)更(geng)(geng)低(di)(di)，即(ji)具有(you)更(geng)(geng)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)界(jie)面離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)擴散能力；⑥鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)斯托(tuo)克(ke)斯直徑比(bi)(bi)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)小，相同濃度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)解液(ye)具有(you)比(bi)(bi)鋰(li)(li)鹽電(dian)(dian)解液(ye)更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)導率，或者更(geng)(geng)低(di)(di)濃度電(dian)(dian)解液(ye)可(ke)(ke)以(yi)(yi)達到(dao)同樣離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)導率；⑦根(gen)據(ju)目前初步的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)低(di)(di)溫(wen)測(ce)試結果，鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)高(gao)低(di)(di)溫(wen)性能更(geng)(geng)優(you)異；⑧在(zai)(zai)(zai)(zai)所有(you)安全(quan)(quan)(quan)項目測(ce)試中(zhong)，均(jun)(jun)未發現(xian)起(qi)火現(xian)象，安全(quan)(quan)(quan)性能更(geng)(geng)好(hao)。鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)內阻相比(bi)(bi)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)要稍微高(gao)一(yi)(yi)(yi)點，致使在(zai)(zai)(zai)(zai)短路等安全(quan)(quan)(quan)性試驗中(zhong)瞬間發熱量少(shao)、溫(wen)升較低(di)(di)，這(zhe)是安全(quan)(quan)(quan)性能好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因之(zhi)一(yi)(yi)(yi)。更(geng)(geng)多(duo)鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)特有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)勢(shi)還會隨(sui)著(zhu)研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)深入逐漸顯示(shi)出來，挖掘這(zhe)些(xie)特有(you)優(you)勢(shi)將(jiang)提高(gao)鈉離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)產品差(cha)異化(hua)，使其(qi)在(zai)(zai)(zai)(zai)未來市場競(jing)爭中(zhong)占(zhan)據(ju)有(you)利地位。

本文主要(yao)介(jie)紹作者團隊近些年在鈉離(li)子電池基礎(chu)研究(jiu)和工程化探索方面的(de)研究(jiu)工作。

1 低成本電極材料探索

1.1?正極材料

鈉(na)(na)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)層狀氧(yang)化物有(you)著先天的(de)(de)(de)(de)成本優勢，不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)僅是(shi)(shi)因(yin)(yin)為這類材(cai)料(liao)(liao)可以(yi)借鑒(jian)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)經常使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)技術(shu)成熟度很高的(de)(de)(de)(de)固相法(fa)或共沉淀法(fa)實現低成本規模化生產，還因(yin)(yin)為其可供選擇的(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)元(yuan)素(su)(su)豐富。鋰(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)層狀氧(yang)化物正(zheng)極(ji)(ji)(ji)材(cai)料(liao)(liao)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)過渡金屬(shu)元(yuan)素(su)(su)主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)(shi)Ni、Co和Mn，而Ti、V、Cr、Fe、Cu等元(yuan)素(su)(su)卻不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)能(neng)(neng)作為主(zhu)要(yao)(yao)元(yuan)素(su)(su)使用(yong)(yong)，因(yin)(yin)為這些元(yuan)素(su)(su)在(zai)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)層狀氧(yang)化物中(zhong)(zhong)沒(mei)有(you)電(dian)化學(xue)活(huo)性(xing)。目(mu)前關于鈉(na)(na)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)層狀正(zheng)極(ji)(ji)(ji)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究報(bao)(bao)道很多，但大(da)(da)都含過渡金屬(shu)Ni或Co元(yuan)素(su)(su)，而Ni和Co是(shi)(shi)鋰(li)(li)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)正(zheng)極(ji)(ji)(ji)材(cai)料(liao)(liao)中(zhong)(zhong)廣泛使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)元(yuan)素(su)(su)，如(ru)果鈉(na)(na)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)也大(da)(da)量(liang)使用(yong)(yong)，成本下降空間將非常有(you)限，所以(yi)Ni和Co不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)是(shi)(shi)鈉(na)(na)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)(zi)電(dian)池(chi)(chi)正(zheng)極(ji)(ji)(ji)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)首選元(yuan)素(su)(su)；除此(ci)(ci)之(zhi)外目(mu)前報(bao)(bao)道的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)多數含鈉(na)(na)層狀氧(yang)化物在(zai)空氣(qi)中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)穩(wen)定，這無疑會增加材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)生產、運輸(shu)及儲(chu)存成本，而且(qie)會對電(dian)池(chi)(chi)性(xing)能(neng)(neng)帶來(lai)影響。因(yin)(yin)此(ci)(ci)，開發不(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)含Ni和Co且(qie)空氣(qi)穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)新(xin)型電(dian)極(ji)(ji)(ji)材(cai)料(liao)(liao)具有(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)實際意義。

NaFeO2的(de)(de)(de)電(dian)化學性(xing)(xing)能最(zui)早于1994年報道，但(dan)是充電(dian)截(jie)止電(dian)壓高于3.5 V會(hui)發(fa)生嚴重的(de)(de)(de)Fe離子(zi)遷移，可(ke)(ke)用的(de)(de)(de)可(ke)(ke)逆容量(liang)僅有(you)80 mA·h/g左右。研(yan)究(jiu)人員圍繞著(zhu)含Fe材(cai)料做了(le)諸(zhu)多(duo)的(de)(de)(de)改性(xing)(xing)研(yan)究(jiu)，比較有(you)代表性(xing)(xing)的(de)(de)(de)是Na2/3Fe1/2Mn1/2O2、NaFe1/2Mn1/2O2、NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2等，Fe的(de)(de)(de)取(qu)代可(ke)(ke)明顯減少Co和Ni的(de)(de)(de)含量(liang)，進而可(ke)(ke)以(yi)(yi)有(you)效(xiao)(xiao)降低材(cai)料的(de)(de)(de)成(cheng)本，但(dan)是Fe含量(liang)較多(duo)時，材(cai)料的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能會(hui)顯著(zhu)惡化，這主要表現在能量(liang)轉換效(xiao)(xiao)率降低、循環性(xing)(xing)能變(bian)差以(yi)(yi)及(ji)空氣穩定性(xing)(xing)變(bian)差。3d過渡金(jin)屬中除(chu)去Ni、Co、Fe、Mn之外是否還有(you)其他過渡金(jin)屬適用于開發(fa)價格低廉、綜合(he)性(xing)(xing)能較好的(de)(de)(de)體系(xi)，成(cheng)為實現低成(cheng)本鈉離子(zi)電(dian)池的(de)(de)(de)關鍵要素。

在其(qi)他3d過渡金屬中(zhong)(zhong)(zhong)，Ti的(de)工作電位太低，常用于負(fu)極材料，V的(de)價(jia)格太高且(qie)空(kong)氣中(zhong)(zhong)(zhong)燒(shao)結會(hui)變(bian)成(cheng)有毒的(de)五價(jia)化(hua)合物，Cr成(cheng)本雖(sui)低但空(kong)氣中(zhong)(zhong)(zhong)燒(shao)結會(hui)變(bian)成(cheng)有毒的(de)六價(jia)化(hua)合物，因此作者(zhe)團隊(dui)將目光轉移到(dao)成(cheng)本低廉且(qie)基本無毒的(de)Cu上。基于早期(qi)的(de)一些研究結果， Cu在含鋰或含鈉(na)層(ceng)狀(zhuang)(zhuang)氧化(hua)物中(zhong)(zhong)(zhong)沒有電化(hua)學活(huo)性，研究人員對Cu在鈉(na)離子電池中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)探索往往淺(qian)嘗(chang)輒止(zhi)，因此Cu在含鈉(na)層(ceng)狀(zhuang)(zhuang)氧化(hua)物中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)電化(hua)學活(huo)性發現(xian)較(jiao)晚。

2014年(nian)作者(zhe)團隊(dui)首次(ci)發現Cu3+/Cu2+氧化(hua)還(huan)原電(dian)對在P2-Na0.68Cu0.34Mn0.66O 2材料(liao)(liao)中具(ju)(ju)有(you)(you)電(dian)化(hua)學活性。該(gai)(gai)發現不(bu)僅是一項基礎研究的突破(po)，其意(yi)義(yi)更在于(yu)可以(yi)(yi)利用環(huan)境(jing)友(you)好的Cu元(yuan)素來構(gou)建新(xin)型層狀氧化(hua)物(wu)。Cu的加入提(ti)升(sheng)了材料(liao)(liao)的導電(dian)性能和(he)電(dian)化(hua)學性能，具(ju)(ju)有(you)(you)類似Ni或Co的功能，而且CuO的價格只有(you)(you)NiO的一半。該(gai)(gai)材料(liao)(liao)基于(yu)可逆的Cu3+/Cu2+氧化(hua)還(huan)原反應(ying)，平均工(gong)作電(dian)壓可以(yi)(yi)達(da)到3.7 V左右，但(dan)可逆比容量還(huan)有(you)(you)待提(ti)升(sheng)（約70 mA·h/g，2.5~4.2 V）。為了進一步提(ti)升(sheng)Cu基正極材料(liao)(liao)的比容量，2015年(nian)作者(zhe)團隊(dui)在P2-Na0.68Cu0.34Mn0.66O2的基礎上加入了同(tong)樣(yang)廉價的Fe，并將鈉含(han)量提(ti)高(gao)到了7/9（P2-Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2）。該(gai)(gai)材料(liao)(liao)在2.5~4.2 V電(dian)壓區(qu)間內可以(yi)(yi)實現約90 mA·h/g的可逆容量，除此之外還(huan)發現該(gai)(gai)材料(liao)(liao)具(ju)(ju)有(you)(you)優良的空氣/水(shui)穩定性，在泡(pao)水(shui)烘干后(hou)結構(gou)仍然可以(yi)(yi)保持不(bu)變。

提(ti)高(gao)活性(xing)元素(su)比(bi)(bi)例是提(ti)升層狀氧化物比(bi)(bi)容量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)慣用(yong)思路，但這一思路對于(yu)Cu-Fe-Mn基正(zheng)極(ji)卻不(bu)甚適用(yong)，因(yin)為(wei)直接提(ti)高(gao)Cu或Fe的(de)含量(liang)(liang)(liang)(liang)往往會導致(zhi)雜相的(de)生成，導致(zhi)性(xing)能(neng)(neng)(neng)惡化。Cu、Fe和Mn有著(zhu)微妙的(de)取(qu)代(dai)關(guan)系(xi)，需要精細的(de)比(bi)(bi)例調控，這是在(zai)(zai)低(di)成本正(zheng)極(ji)材(cai)料探索(suo)過程中遇(yu)到的(de)一個(ge)關(guan)鍵(jian)問題。通過進(jin)一步設計(ji)，作者(zhe)團隊在(zai)(zai)2015年制備(bei)出比(bi)(bi)容量(liang)(liang)(liang)(liang)更高(gao)的(de)、同樣對空氣/水穩定的(de)O3-Na0.9Cu0.22Fe0.30Mn0.48O2，該(gai)材(cai)料可逆比(bi)(bi)容量(liang)(liang)(liang)(liang)可達100 mA·h/g（2.5~4.05 V），具有較好的(de)循環性(xing)能(neng)(neng)(neng)和倍率性(xing)能(neng)(neng)(neng)。為(wei)了進(jin)一步提(ti)升該(gai)類材(cai)料的(de)容量(liang)(liang)(liang)(liang)，作者(zhe)團隊結合(he)了元素(su)摻雜、提(ti)升鈉(na)含量(liang)(liang)(liang)(liang)、調節元素(su)比(bi)(bi)例等(deng)方法，設計(ji)了新一代(dai)Li摻雜高(gao)比(bi)(bi)容量(liang)(liang)(liang)(liang)Cu-Fe-Mn基正(zheng)極(ji)材(cai)料，在(zai)(zai)2.5~4.0 V的(de)電(dian)壓范圍內(nei)可實(shi)現130 mA·h/g左右的(de)比(bi)(bi)容量(liang)(liang)(liang)(liang)。Cu、Fe和Mn元素(su)的(de)價格低(di)廉、來源廣泛，且能(neng)(neng)(neng)表現出不(bu)遜色(se)于(yu)Ni、 Co基氧化物正(zheng)極(ji)材(cai)料的(de)綜合(he)性(xing)能(neng)(neng)(neng)，極(ji)具應用(yong)前(qian)景。以上材(cai)料的(de)首周充放電(dian)曲(qu)線如圖(tu)2所示。

圖1   鈉離子電池的(de)優勢

圖(tu)2   幾種銅基氧(yang)化物正極材(cai)料的典型首周充(chong)放電曲線

為(wei)(wei)了(le)(le)(le)進一步提(ti)升鈉(na)離子(zi)電(dian)池正極(ji)材料(liao)的比容(rong)量(liang)，可(ke)以(yi)引(yin)入晶格氧的可(ke)逆(ni)氧化還原反應。作者團(tuan)(tuan)隊首(shou)(shou)先以(yi)P3-Na0.6Li0.2Mn0.8O2為(wei)(wei)模型材料(liao)，研究了(le)(le)(le)其可(ke)逆(ni)氧離子(zi)變(bian)(bian)價機理；基于該結果，在2019年作者團(tuan)(tuan)隊報道(dao)了(le)(le)(le)P2-Na0.72Li0.24Mn0.76O2，該材料(liao)首(shou)(shou)周充電(dian)容(rong)量(liang)可(ke)達約(yue)210 mA· h/g，在半電(dian)池中放(fang)電(dian)比容(rong)量(liang)可(ke)達約(yue)270 mA·h/g。經深入研究發現氧變(bian)(bian)價除(chu)了(le)(le)(le)可(ke)以(yi)提(ti)高容(rong)量(liang)，還具有減小體積應變(bian)(bian)和抑(yi)制(zhi)相變(bian)(bian)等反常(chang)行為(wei)(wei)，這些現象為(wei)(wei)新材料(liao)的研發提(ti)供了(le)(le)(le)新思路，相關的材料(liao)設計(ji)和優(you)化正在開展中。

1.2?負極材料

碳材料(liao)如(ru)煤炭(tan)、石(shi)(shi)墨、瀝青等已廣泛應用(yong)(yong)于生活、生產中(zhong)的(de)(de)(de)諸多場(chang)景。石(shi)(shi)墨是目前(qian)在(zai)鋰(li)離(li)子(zi)(zi)電(dian)池中(zhong)應用(yong)(yong)最廣泛的(de)(de)(de)負極(ji)材料(liao)，具有低(di)成本(ben)、高(gao)比(bi)容(rong)量（可(ke)(ke)達360 mA·h/g，理(li)論(lun)372 mA·h/g）等優(you)點(dian)。但是石(shi)(shi)墨在(zai)含有碳酸(suan)酯電(dian)解液(ye)的(de)(de)(de)鈉離(li)子(zi)(zi)電(dian)池中(zhong)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)逆比(bi)容(rong)量卻(que)不(bu)足(zu)50 mA·h/g，使其(qi)應用(yong)(yong)受到(dao)了很(hen)大的(de)(de)(de)限制。與石(shi)(shi)墨不(bu)同，無定形碳類(lei)負極(ji)（包括(kuo)硬碳和(he)軟碳）在(zai)鈉離(li)子(zi)(zi)電(dian)池中(zhong)表現(xian)出較高(gao)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)逆比(bi)容(rong)量和(he)較好的(de)(de)(de)循環(huan)性能，自發現(xian)以(yi)來，研究人員對這類(lei)材料(liao)進行了大量的(de)(de)(de)探索和(he)研究。

作(zuo)者團(tuan)隊(dui)對石油化(hua)工原料(liao)和(he)(he)下(xia)游產品（煤(mei)炭、瀝青、石油焦等）開展了大(da)量的研究，這類原材(cai)料(liao)價格低廉(lian)且產碳(tan)率(lv)一般較高(gao)。2016年，作(zuo)者團(tuan)隊(dui)報道了高(gao)溫(wen)裂解無煙煤(mei)作(zuo)為鈉離子(zi)電池(chi)負極材(cai)料(liao)的電化(hua)學性(xing)能(neng)，該負極采用的無煙煤(mei)前驅體成本(ben)非(fei)常低廉(lian)，通過簡單(dan)的粉碎(sui)和(he)(he)一步碳(tan)化(hua)便可制得（產碳(tan)率(lv)高(gao)達90%），具有較高(gao)的可逆比容量（220 mA·h/g，0~2.0 V）和(he)(he)優異的循環性(xing)能(neng)。

為(wei)了(le)(le)(le)獲得(de)比(bi)容(rong)量更高(gao)的(de)下一代碳(tan)類(lei)(lei)負極(ji)，作者團(tuan)隊深入研究了(le)(le)(le)無定形碳(tan)的(de)儲(chu)Na機理，并基于對機理的(de)理解，通過(guo)(guo)多種(zhong)方(fang)式調控了(le)(le)(le)碳(tan)的(de)微結構(gou)，進(jin)一步提(ti)升了(le)(le)(le)碳(tan)類(lei)(lei)材料的(de)比(bi)容(rong)量。瀝(li)青是一種(zhong)價格低廉的(de)石油(you)工(gong)業(ye)殘渣，在(zai)公路(lu)鋪(pu)設、房屋修補等方(fang)面(mian)有(you)(you)廣泛使用(yong)，但按照(zhao)傳(chuan)統(tong)高(gao)溫處理法制備的(de)樣品可(ke)逆比(bi)容(rong)量不足100 mA·h/g。作者團(tuan)隊通過(guo)(guo)簡單的(de)在(zai)空氣中低溫預氧化(hua)和在(zai)惰性(xing)氣氛中高(gao)溫碳(tan)化(hua)的(de)方(fang)法，可(ke)以(yi)將可(ke)逆比(bi)容(rong)量提(ti)高(gao)到約300 mA·h/g。預氧化(hua)過(guo)(guo)程中引入了(le)(le)(le)含氧官能團(tuan)，以(yi)抑制瀝(li)青高(gao)溫結構(gou)有(you)(you)序重排，從而達到提(ti)升微結構(gou)無序度進(jin)而提(ti)升儲(chu)鈉容(rong)量的(de)目的(de)。進(jin)一步地，作者團(tuan)隊利(li)用(yong)酚(fen)醛(quan)樹(shu)脂（塑料、加工(gong)行(xing)業(ye)常用(yong)原材料，也稱電木(mu)）作為(wei)前驅體、乙醇作為(wei)造孔劑，通過(guo)(guo)形成閉合孔隙的(de)策略來(lai)精確調控硬(ying)碳(tan)微觀結構(gou)，得(de)到的(de)硬(ying)碳(tan)負極(ji)可(ke)逆比(bi)容(rong)量約為(wei)410 mA·h/g，甚至超(chao)過(guo)(guo)了(le)(le)(le)石墨的(de)儲(chu)鋰容(rong)量。以(yi)上3代碳(tan)類(lei)(lei)負極(ji)材料的(de)首周充放(fang)電曲線如圖3所示(shi)。

圖3   幾種無定形碳負極材料的典(dian)型首周充放電曲(qu)線

2 電芯制造與示范應用

2.1?中國(guo)科(ke)學(xue)院物(wu)理研究所工(gong)程(cheng)化探索歷程(cheng)

作(zuo)者團隊(dui)(dui)于(yu)2015年(nian)(nian)(nian)(nian)試(shi)制了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)(li)子軟(ruan)包電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)之(zhi)后，持續推(tui)進工(gong)程(cheng)(cheng)化進程(cheng)(cheng)，并(bing)(bing)于(yu)2015年(nian)(nian)(nian)(nian)底實(shi)現(xian)(xian)(xian)了(le)(le)10公(gong)斤(jin)級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)材(cai)料試(shi)制，2016年(nian)(nian)(nian)(nian)實(shi)現(xian)(xian)(xian)了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)軟(ruan)包電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)和圓柱電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)小批量制造（圖4）。在發(fa)現(xian)(xian)(xian)和解(jie)決(jue)實(shi)際生產中(zhong)所(suo)(suo)面臨問題的(de)(de)(de)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，進一(yi)步(bu)加深了(le)(le)對(dui)鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)性能的(de)(de)(de)理解(jie)并(bing)(bing)積累了(le)(le)一(yi)些前(qian)期研制經驗(yan)。2017年(nian)(nian)(nian)(nian)2月初，致力于(yu)開發(fa)低(di)成本、高性能鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)北京中(zhong)科(ke)海(hai)鈉(na)有(you)限(xian)責任公(gong)司成立，中(zhong)科(ke)海(hai)鈉(na)在2017年(nian)(nian)(nian)(nian)底開始了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)從電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)材(cai)料、電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)液(ye)、電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)制造以(yi)及(ji)成組測試(shi)的(de)(de)(de)整條生產與測試(shi)線的(de)(de)(de)建(jian)設(she)和初步(bu)運行。2017年(nian)(nian)(nian)(nian)底，作(zuo)者團隊(dui)(dui)推(tui)出(chu)(chu)了(le)(le)鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)（48 V，10 A·h）驅動(dong)(dong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)自行車(che)（圖4）；2018年(nian)(nian)(nian)(nian)6月作(zuo)者團隊(dui)(dui)推(tui)出(chu)(chu)了(le)(le)全球首(shou)輛鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)（72 V，80 A·h）驅動(dong)(dong)的(de)(de)(de)低(di)速電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車(che)（圖4）。該(gai)車(che)亮相于(yu)2018年(nian)(nian)(nian)(nian)6月9日物理所(suo)(suo)90周年(nian)(nian)(nian)(nian)所(suo)(suo)慶日，陳立泉院士(shi)親自為該(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車(che)揭幕并(bing)(bing)試(shi)駕(jia)了(le)(le)該(gai)車(che)；2019年(nian)(nian)(nian)(nian)3月29日，作(zuo)者團隊(dui)(dui)發(fa)布了(le)(le)世(shi)界首(shou)座30 kW/100 kW·h鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)儲能電(dian)(dian)(dian)(dian)站，目前(qian)為中(zhong)科(ke)院物理所(suo)(suo)長(chang)三角研究中(zhong)心(xin)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。儲能電(dian)(dian)(dian)(dian)站可(ke)實(shi)現(xian)(xian)(xian)“谷電(dian)(dian)(dian)(dian)峰用”的(de)(de)(de)用電(dian)(dian)(dian)(dian)模式，緩解(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)網供(gong)給側(ce)的(de)(de)(de)不(bu)平衡(heng)狀況，利用峰谷電(dian)(dian)(dian)(dian)價(jia)差不(bu)僅可(ke)以(yi)降低(di)用電(dian)(dian)(dian)(dian)成本，也可(ke)以(yi)減小風能、光能并(bing)(bing)網對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)網帶來(lai)的(de)(de)(de)沖擊，對(dui)于(yu)新能源的(de)(de)(de)發(fa)展有(you)推(tui)動(dong)(dong)作(zuo)用。在中(zhong)國(guo)科(ke)學院戰略(lve)性先導(dao)科(ke)技專項的(de)(de)(de)支持下，作(zuo)者團隊(dui)(dui)計(ji)劃于(yu)2021年(nian)(nian)(nian)(nian)推(tui)出(chu)(chu)1 MW·h的(de)(de)(de)鈉(na)離(li)(li)(li)子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)儲能系統。

圖(tu)4   中國科學(xue)院物理研究所/中科海鈉(na)鈉(na)離子電池研制及示范應用

2.2?現階段(duan)技術(shu)進展

隨著近些年作者(zhe)團隊對材料和電(dian)池工藝(yi)的(de)不斷優化，鈉(na)離(li)子(zi)電(dian)池的(de)綜合(he)性能逐步提(ti)高，已建(jian)成鈉(na)離(li)子(zi)電(dian)池百噸級(ji)(ji)正負極材料中試線(xian)及MW·h級(ji)(ji)電(dian)芯中試線(xian)。現已取得的(de)技術進展如下（其(qi)中1、2、4、5、7中充電(dian)和放電(dian)倍率均(jun)為0.2 C）：

（1）電(dian)芯(xin)能(neng)量密度達到135 W·h/kg；

（2）單體電池首周充放電效(xiao)率＞85%；

（3）55 ℃放(fang)電(dian)容量保(bao)持率＞99%，-20 ℃放(fang)電(dian)容量保(bao)持率＞88%，高、低(di)溫(wen)放(fang)電(dian)性能良好(hao)；

（4）5 C/5 C 倍(bei)率(lv)(lv)容量是1 C/1 C倍(bei)率(lv)(lv)的90%，倍(bei)率(lv)(lv)性能優異；

（5）滿(man)電(dian)態電(dian)芯60 ℃存儲7天，荷電(dian)保持率(lv)為92%，荷電(dian)恢復率(lv)為99%；

（6）滿電態電芯85 ℃存儲3天，荷電保持率為(wei)(wei)94%，荷電恢復率為(wei)(wei)99%；

（7）3 C/3 C、100% DOD循(xun)環1000次后容量保持率91%，循(xun)環性能(neng)優異；

（8）通過了一系列(lie)針刺、擠(ji)壓、短路、過充(chong)、過放等適用于鋰離子(zi)電(dian)池的安(an)全(quan)測試(shi)，安(an)全(quan)性能滿足GB/T 31485—2015要求。

2.3?與其他(ta)二次(ci)電池對比

鋰(li)離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)和鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，是目前(qian)市場上主流的二次電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)(ji)術。根(gen)據(ju)中關村儲(chu)能產業技(ji)(ji)術聯盟(meng)整理的數據(ju)，2019年(nian)我(wo)國電(dian)(dian)(dian)化學(xue)儲(chu)能新裝機技(ji)(ji)術分布中，鋰(li)離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)占(zhan)(zhan)比(bi)(bi)70.7%，鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)占(zhan)(zhan)比(bi)(bi)27.2%，剩(sheng)余為液流電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)、超(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)容器、鈉硫電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)等(deng)(deng)。表(biao)1中列出了鋰(li)離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)、鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)以及(ji)鈉離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)的常見的技(ji)(ji)術指標，所涉及(ji)的值均基于單體電(dian)(dian)(dian)芯。誕生于19世(shi)紀(ji)的鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)是一(yi)(yi)種技(ji)(ji)術成(cheng)熟的二次電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)，廣泛應(ying)用(yong)于生活、軍事的諸多領域，包(bao)括電(dian)(dian)(dian)動(dong)(dong)自行車(che)動(dong)(dong)力電(dian)(dian)(dian)源、汽車(che)啟動(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)源、通訊基站應(ying)急電(dian)(dian)(dian)源等(deng)(deng)。經過一(yi)(yi)百(bai)多年(nian)的技(ji)(ji)術更新，其(qi)能量(liang)密度(du)、使(shi)用(yong)壽(shou)命、成(cheng)本等(deng)(deng)已經到了瓶頸。雖然鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)與鋰(li)離(li)(li)(li)子(zi)相比(bi)(bi)，在能量(liang)密度(du)、循環(huan)壽(shou)命、環(huan)境(jing)影響等(deng)(deng)方面存在明顯劣勢，但其(qi)售價(jia)較(jiao)(jiao)(jiao)低且有(you)(you)(you)回收價(jia)值，使(shi)鉛(qian)(qian)(qian)酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)仍然具有(you)(you)(you)可(ke)(ke)觀的市場占(zhan)(zhan)有(you)(you)(you)率。鋰(li)離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)有(you)(you)(you)很多體系(xi)，根(gen)據(ju)正極(ji)可(ke)(ke)以分為鈷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鋰(li)、三元、磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)鋰(li)、錳酸(suan)(suan)(suan)(suan)鋰(li)等(deng)(deng)體系(xi)，根(gen)據(ju)負極(ji)可(ke)(ke)以分為石(shi)墨、鈦酸(suan)(suan)(suan)(suan)鋰(li)等(deng)(deng)。磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)鋰(li)/石(shi)墨體系(xi)具有(you)(you)(you)較(jiao)(jiao)(jiao)低的成(cheng)本、較(jiao)(jiao)(jiao)高的能量(liang)密度(du)、較(jiao)(jiao)(jiao)好的安全(quan)性(xing)以及(ji)超(chao)長的循環(huan)壽(shou)命，和鈉離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)(chi)在高性(xing)價(jia)比(bi)(bi)、高安全(quan)性(xing)等(deng)(deng)方面的定位(wei)較(jiao)(jiao)(jiao)為相似，故選擇該體系(xi)進(jin)行對(dui)比(bi)(bi)。

表(biao)1   鉛酸電池(chi)(chi)、鋰離(li)子(zi)電池(chi)(chi)和鈉離(li)子(zi)電池(chi)(chi)性能對比

Table 1   Performance comparison of lead-acid batteries, Li-ion batteries, and Na-ion batteries

注： ①單體電(dian)芯的對應值(zhi)；②僅考(kao)慮原(yuan)材(cai)料(liao)成本，原(yuan)材(cai)料(liao)包括(kuo)正極、負極、電(dian)解(jie)液、隔(ge)膜和其他裝配物件；③如果考(kao)慮回(hui)收，鉛酸電(dian)池原(yuan)材(cai)料(liao)成本約(yue)為0.2元/W·h。

由表1可(ke)以(yi)發現，目前銅(tong)基(ji)(ji)鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)雖然(ran)在能(neng)(neng)量密度等(deng)方面與磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)還有(you)一定的(de)差距，但在低溫性能(neng)(neng)、安全性、環保等(deng)方面與磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰(li)(li)相(xiang)當甚至更好。在原材(cai)料(liao)(liao)(liao)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)方面，銅(tong)基(ji)(ji)鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)[0.29元/(W·h)]相(xiang)比(bi)磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)[0.43元/(W·h)]有(you)明顯的(de)優(you)勢（低約1/3）；鉛酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)雖然(ran)售價(jia)便宜，但是(shi)如果(guo)不考慮回收(shou)的(de)話(hua)，單(dan)位能(neng)(neng)量的(de)價(jia)格[0.40元/(W·h)]和磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)相(xiang)差不大，這主要(yao)與其能(neng)(neng)量密度偏低有(you)關(guan)。鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)與鋰(li)(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)工(gong)作原理與生產工(gong)序相(xiang)似，成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)的(de)差異主要(yao)體現在原材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)區別，而鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)原材(cai)料(liao)(liao)(liao)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)更低的(de)主要(yao)原因(yin)是(shi)：①銅(tong)鐵(tie)(tie)錳(meng)氧化物原材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)為磷酸(suan)(suan)(suan)(suan)鐵(tie)(tie)鋰(li)(li)的(de)1/2左右；②煤基(ji)(ji)碳負極相(xiang)比(bi)石墨(mo)，其原料(liao)(liao)(liao)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)不到(dao)石墨(mo)原料(liao)(liao)(liao)成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)的(de)1/10；③鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)可(ke)使用(yong)低濃度電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解液，可(ke)降低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解液成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)；④同等(deng)容(rong)量的(de)鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)中Al集(ji)流體成(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)是(shi)鋰(li)(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)Al和Cu集(ji)流體的(de)1/3。相(xiang)比(bi)于(yu)鉛酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)，同等(deng)容(rong)量的(de)鈉(na)(na)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)體積更小、重量更輕，比(bi)能(neng)(neng)量高出(chu)2倍(bei)以(yi)上(shang)，且循環壽命更長，未來首先(xian)有(you)可(ke)能(neng)(neng)取代(dai)鉛酸(suan)(suan)(suan)(suan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)并逐步(bu)實現低速電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動車、儲(chu)能(neng)(neng)等(deng)領域的(de)無鉛化。

3 結 語

鈉(na)(na)離(li)子電(dian)池(chi)是(shi)一種重要的(de)(de)(de)儲能技術，成(cheng)本低(di)、資源(yuan)(yuan)(yuan)豐(feng)富且綜合性能較好，具有(you)巨大的(de)(de)(de)發展(zhan)潛(qian)力(li)。未來鈉(na)(na)離(li)子電(dian)池(chi)可以應用在生(sheng)活、生(sheng)產中(zhong)多(duo)個領(ling)域，將促進能源(yuan)(yuan)(yuan)互聯網的(de)(de)(de)建成(cheng)。在國內(nei)，從事鈉(na)(na)離(li)子電(dian)池(chi)工程化探索的(de)(de)(de)公(gong)司(si)(si)除了中(zhong)科(ke)海鈉(na)(na)，還(huan)有(you)鈉(na)(na)創新能源(yuan)(yuan)(yuan)、星空鈉(na)(na)電(dian)等公(gong)司(si)(si)，也都初(chu)步取得(de)了重要進展(zhan)。

我國鈉(na)離子電(dian)池相關(guan)研究單位和(he)企業應注重具(ju)有(you)自主知(zhi)識產(chan)權(quan)的技術和(he)產(chan)品(pin)的研發，可以(yi)關(guan)注以(yi)下(xia)幾個(ge)方面：

（1）新型電極材(cai)料(liao)的(de)開發(fa)，以研(yan)制低成本、高安全、高能量密度(du)、高倍率和(he)長壽命(ming)電池。既(ji)要針對已有的(de)材(cai)料(liao)進行摻雜、包(bao)覆以優化(hua)其性能，也要注重(zhong)新材(cai)料(liao)、新機理方面的(de)工作；

（2）功(gong)能電解液(ye)的開發(fa)，尋找合適的鹽、溶劑以及(ji)添加劑，以滿足高(gao)電壓、長循環(huan)、高(gao)倍率、耐高(gao)低溫、阻燃等(deng)需求；

（3）開發固態電池技術，著重開發新(xin)型(xing)鈉(na)離(li)子固體(ti)電解(jie)質，進一(yi)步提高(gao)鈉(na)離(li)子電導(dao)率，并解(jie)決(jue)固固界面(mian)難題；引入雙極性電池技術，進一(yi)步提高(gao)能量密度（圖(tu)6）；

圖(tu)5   鈉離子(zi)電池3 C/3 C倍率充放電曲線（1.5~4.0 V）（a）以及循環性(xing)能（b）

圖(tu)(tu)6   分(fen)別使用單體電池串聯(lian)和(he)雙極性電池方式成組(zu)的固(gu)態鈉電池（相同(tong)電壓和(he)容量）體積對(dui)比示意圖(tu)(tu)

（4）鈉離子(zi)電(dian)池技術的開(kai)發，參(can)考成熟的鋰(li)離子(zi)電(dian)池生產制(zhi)造(zao)技術，結合鈉離子(zi)電(dian)池的特(te)點(dian)，針(zhen)對性開(kai)發并優(you)化(hua)適用的技術，以(yi)滿(man)足未來(lai)更大規模(mo)的生產制(zhi)造(zao)需求(qiu)；

（5）鈉離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)包(bao)技(ji)術的(de)開發，開發鈉離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)無(wu)模組電(dian)(dian)池(chi)(chi)包(bao)（CTP）技(ji)術，并結合鈉離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)正負極(ji)集流(liu)體(ti)均(jun)可采用鋁箔做(zuo)成雙極(ji)性電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)特點，將電(dian)(dian)池(chi)(chi)包(bao)成組效率提升到極(ji)致，避免(mian)鈉離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)在能量(liang)密度上的(de)相對劣(lie)勢，進一步發揮鈉離(li)(li)(li)子(zi)(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)低(di)成本優勢。

（6）電(dian)池(chi)(chi)管理系統的(de)(de)開發(fa)，在(zai)一(yi)些相對成熟的(de)(de)材料(liao)體系中針對鈉(na)離子電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)特(te)性進(jin)行專(zhuan)門的(de)(de)開發(fa)，以(yi)(yi)進(jin)一(yi)步提升電(dian)池(chi)(chi)組整體壽命以(yi)(yi)及安(an)全性；

（7）國際(ji)專利布局，既要(yao)注重國內專利的申請(qing)和布局，更要(yao)注重國際(ji)專利，以盡早(zao)使(shi)我(wo)國在該領(ling)域占據知識產權的有利地位(wei)；

（8）制(zhi)定(ding)相關標(biao)(biao)準，盡早完(wan)成針對鈉離(li)子電池的(de)制(zhi)造、檢測等必要標(biao)(biao)準的(de)制(zhi)定(ding)，為指導(dao)規范我國研發生產創造有利條件(jian)。

相比于(yu)其他發達國(guo)(guo)家(jia)，我國(guo)(guo)具(ju)有集中(zhong)力(li)(li)(li)量(liang)辦大事(shi)的(de)能(neng)力(li)(li)(li)，有很(hen)大機會(hui)可(ke)將(jiang)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池技(ji)術(shu)快速推進(jin)，這是(shi)我國(guo)(guo)能(neng)實現領跑(pao)的(de)難(nan)得機遇。如(ru)要(yao)實現這一歷史目(mu)(mu)標，很(hen)大程(cheng)度(du)(du)上依賴(lai)于(yu)政府主管部門(men)的(de)大力(li)(li)(li)支(zhi)持和(he)相關(guan)政策的(de)引導(dao)；也(ye)依賴(lai)于(yu)廣大的(de)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池研(yan)發人員通力(li)(li)(li)合作，著(zhu)眼于(yu)解決關(guan)鍵(jian)基礎科學問題(ti)和(he)工(gong)程(cheng)技(ji)術(shu)問題(ti)；另(ling)外特(te)別(bie)需(xu)(xu)要(yao)社會(hui)資(zi)本(ben)能(neng)夠將(jiang)投資(zi)方(fang)(fang)向(xiang)轉到(dao)此類國(guo)(guo)家(jia)需(xu)(xu)要(yao)的(de)重(zhong)要(yao)技(ji)術(shu)上來，加(jia)快我國(guo)(guo)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池工(gong)程(cheng)化(hua)進(jin)度(du)(du)。世界能(neng)源格局正在技(ji)術(shu)的(de)引導(dao)下悄然發生變化(hua)，提前布局將(jiang)會(hui)使(shi)我國(guo)(guo)在能(neng)源領域處于(yu)主動(dong)地(di)位。為了提高(gao)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池的(de)市場競爭力(li)(li)(li)，需(xu)(xu)要(yao)開發具(ju)有更高(gao)性價比的(de)產品(pin)，而提高(gao)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池能(neng)量(liang)密(mi)度(du)(du)是(shi)降低單(dan)位成本(ben)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素。進(jin)一步(bu)開發具(ju)有高(gao)比容量(liang)的(de)正負極材料，進(jin)而有效減少非活性物質(zhi)（導(dao)電劑(ji)、黏結(jie)劑(ji)、隔膜等）在總成本(ben)中(zhong)的(de)占比（目(mu)(mu)前約(yue)40%）；同(tong)時開發新工(gong)藝，以降低生產制(zhi)造成本(ben)，這些(xie)將(jiang)是(shi)鈉(na)離(li)(li)子(zi)電池下一步(bu)在基礎研(yan)究和(he)工(gong)程(cheng)化(hua)探索方(fang)(fang)面的(de)重(zhong)要(yao)突(tu)破方(fang)(fang)向(xiang)。